（高电压与绝缘技术专业论文）地铁牵引供电系统建模及其对公共电网影响的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 地铁城市轨道交通的快速建设，一方面推动了城市的发展，另一方面加速了社会 经济的发展，地铁牵引供电给公共电网带来的影响受到高度的关注。地铁牵引系统采 用直流牵引，具有波动性强、系统谐波含量丰富、电缆容性电流大等特点，。另外，地 铁系统处于人口密集的城市之中，公共电网一旦造成事故有可能对整个城市的电力供 应和社会稳定带来很大的影响。为防患于未然，需要提前做出系统的理论分析并做出 相应的预防性措施，从而减少电流谐波、谐振过电压、电缆容性电流及杂散电流等对 电力系统的危害，提高电网的电能质量及供电可靠性和稳定性，消除地铁对电网造成 事故的潜在隐患。因此本论文主要以仿真计算结合实例研究分析地铁牵引供电系统对 公共电网的影响。 利用m a t l a b s i m u l i n k 构建了+ 2 4 脉波整流器和地铁电力机车仿真分析模型。分析了 系统中直流侧、变压器绕组以及交流侧的谐波特征。运行结果表明，仿真系统能够真 实反映整流器和机车的实际工作情况。 以即将投运的西安地铁二号线为分析算例，应用实际设计参数，联合电网和地铁 牵引供电系统计算了白天高峰期负荷运行和夜间低谷期负荷运行谐波注入情况，评估 了不同负荷期谐波危害，基于p c c 点谐波标准和地铁运行特点，本文提出了具体的谐 波治理方案，仿真验证了该方案的正确性。仿真表明3 5 k v 母线上装设无源高压滤波器， 可以达到较好的谐波治理效果。 计算了工频和单相故障条件下电缆的容性电流，利用谐振回路等效原理，研究了 电缆容性电流与谐振的关系，计算了线路末端并联电抗器的容量，利用安装并联电抗 器的方法抑制谐振过电压的产生。利用仿真模型，分析了负荷变化、短路容量对系统 电能质量、电压波动和p c c 点功率因素的冲击，评估其对公共电网影响。 最后，利用c d e g s 软件以西安地铁设计参数，对地铁杂散电流电路等效，并建立 钢轨、排流网、埋地输电电缆模型，系统研究了钢轨电位分布情况、杂散电流分布特 征和埋地电缆屏蔽层的电位分布规律等，提出了埋地电缆防腐蚀措施。 本文的研究成果可为地铁牵引供电系统接入电网提供了理论依据。同时，为地铁 的规划建设和设计奠定了良好的基础。 关键词：地铁牵引供电系统；谐波；容性电流；无功补偿；谐振过电压；杂散电流 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dr a i lt r a n s i ts u b w a yc o n s t r u c t i o n ，o nt h eo n eh a n dp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft h ec i t y , o nt h eo t h e rh a n dp r o m o t et h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ， t h ei n f l u e n c eo fm e t r ot r a c t i o np o w e rs u p p l yb r o u g h tt ot h ep u b l i cp o w e rg r i di sc o n c e r n e d h i 曲l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t r od ct r a c t i o ns y s t e mi st h a t ，s t r o n gf l u c t u a t i o n s ，r i c hi n h a r m o n i cc o n t e n t ，a n dl a r g ec a b l ec a p a c i t i v ec u r r e n t 。i na d d i t i o n ，t h em e t r os y s t e mi sa m o n g t h ed e n s e l yp o p u l a t e dc i t y , i ft h ea c c i d e n th a p p e n s ，t h e r ei sg r e a ti m p a c to nt h ep u b l i cp o w e r g r i ds u p p l ya n ds o c i a ls t a b i l i t yi ne n t i r ec i t y t a k i n gp r e v e n t i v em e a s u r e s ，i tr e q u i r e dt om a k e s y s t e m a t i ca n a l y s i sa n da p p r o p r i a t ep r e v e n t i v em e a s u r e si na d v a n c et or e d u c et h ec u r r e n t h a r m o n i c s ，r e s o n a n c eo v e r - v o l t a g e ，c a b l ec a p a c i t i v ec u r r e n ta n ds t r a yc u r r e n th a z a r d so nt h e p o w e rs y s t e mt oi m p r o v ep o w e r 面dp o w e rq u a l i t y 、r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , a n de l i m i n a t e t h ep o t e n t i a lr i s ko fp o w e r 鲥do fc a u s i n gt h ea c c i d e n t t h e r e f o r e ，t h i st h e s i si sr e s e a r c h i n g f o rt h ee f f e c to fp o w e rs u p p l ys y s t e mo fm e t r ot ot h ep u b l i cg n db ys i m u l a t i o nw i t h e x a m p l e s 2 4p u l s er e c t i f i e ra n ds u b w a ye l e c t r i cl o c o m o t i v es i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e di n m a t l a b | s i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h eh a r m o n i c so ft h ed cs y s t e m ，t r a n s f o r m e rw i n d i n ga n d a cs i d ei sa n a l y s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o ns y s t e mc a nb et r u e l yr e f l e c t i n gt h e a c t u a lr e c t i f i e ra n dl o c o m o t i v ew o r kb yr u n n i n g t a k i n gt h ea n a l y s i st h ee x a m p l eo fp u t t i n gi n t oo p e r a t i o no fx i a n m e t r o ，a n d a p p l i c a t i o no fp r a c t i c a ld e s i g np a r a m e t e r s ，t h eh a r m o n i cq u a n t i t a t i v ei sa n a l y s e dw h e nl o a d o p e r a t i o nd u r i n gt h ed a ya n dl o wo p e r a t i o nd u r i n gt h en i g h tb yt h ec o n n e c t i n gs i m u l a t i o n m o d e l ，t h a tc o n t a i n sm e t r ot r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma n dp o w e rn e t t i n g ，t h e ne v a l u a t e s t h eh a r m o n i ch a z a r d so fd i f f e r e n tl o a d b a s e do np c cp o i n th a r m o n i cs t a n d a r d sa n d o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fm e t r o ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas p e c i f i ch a r m o n i cc o n t r o lp r o j e c t ， t h e ns h o w st h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o g r a mb ys i m u l a t i o nr e s u l t s s i m u l a t i o ns h o w s ，t h e i n s t a l l a t i o no fp a s s i v ef i l t e r so n35 k vh i 曲- v o l t a g eb u sc a l la c h i e v e sb e r e rr e s u l t sf o r h a r m o n i cc o n t r 0 1 t h ec a p a c i t i v ec u r r e n to fc a b l ei sc a l c u l a t e di n 仔e q u e n c ya n ds i n g l e p h a s ef a u l t c o n d i t i o n t h ep c cp o w e rf a c t o ri m p u l s i o ni sa n a l y s e da l o n gw i t ht r a c t i o nl o a dc h a n g e u s i n gar e s o n a n tc i r c u i te q u i v a l e n c ep r i n c i p l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec a b l ec a p a c i t i v e c u r r e n ta n dt h er e s o n a n c ei sr e s e a r c h e d c a l c u l a t e dt h ec a p a b i l i t yo fl i n et e r m i n a lp a r a l l e l r e a c t o r s t h em e t h o do fi n s t a l l i n gp a r a l l e lr e a c t o rc a ni n h i b i tt h ep r o d u c t i o no fr e s o n a n c e o v e r v o l t a g e t h ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n dp o w e rq u a l i t ya r ea n a l y s e da l o n gw i t ht h ec h a n g e o f1 0 a da n ds h o r t c i r c u i tc a p a c i t yo ft h es y s t e mb ys i m u l a t i o nm o d e l f i n a l l 、，jm 咖s t r a yc u r r e n te q u i v a l e n tc i r c u i ti se s t a b l i s h e db yc d e g s s o f t w a r e ，u s i n g x i t a nd e s i g np a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gr a i lm o d e l ，d r a i n a g en e tm o d e l ，u n d e r g r o u n d t r a n s m l s s l o n c a b l em o d e l ，t h et h e s i sh a v er e s a r c h e dt h ed i s t r i b u t i o no f r a i lp o t e n t i a l 、s t r a yc u r r e n ta n d t h e p o t e n t i a lo f b u r i e dc a b l es h i e l d ，a n ds t r a y c u r r e n tp r e s e r v a t i o nm e t h o dl sa d v a n c e d t h i st h e s i s p r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rm e t r ot r a c t i o ns y s t e ms u p p l y s y s t e m c 0 1 u l e c t i n gt op o w e rn 咖o r k m e a n w h i l e ，p r o v i d e sag o o df o u n d a t i o nf o r t h ep l a n n i n gf o r m e t r oc o n s t r u c t i o na n dd e s i g n k e yw o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fm e t r o ；h a r m o n i c ；c a p a c i t i v ec u r r e n t ；r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ；r e s o n a n c eo v e r v o l t a g e ；s t r a yc u r r e n t 西南交通大学四南父逋大芋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：支反 日期： 酬时曩， i 指导老师签名： 舭 日期：矽仉孓矽 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 基于m a t l a b s i m u l i n k 构建了2 4 脉波整流器和地铁电力机车仿真分析模型，分 析了系统中交流侧、直流侧、变压器绕组的谐波特征以及机车的运行特性。运行结果 表明，该仿真系统能够很好反映整流器和地铁机车的实际工作情况； 2 以即将投运的西安地铁二号线为分析算例，应用实际设计参数，联合电网和地 铁牵引供电系统估算该线白天高峰期负荷运行和夜间低谷期谐波注入情况。基于p c c 点谐波标准和地铁运行特点，提出了3 5 k v 侧安装高压无源滤波器的谐波治理方法，并 仿真验证了该方案的正确性； 3 计算了工频和单相故障条件下电缆的容性电流，研究了电缆容性电流与谐振的 关系，计算了线路末端并联电抗器的容量，利用安装并联电抗器的方法抑制谐振过电 压的产生； 4 分析了地铁牵引负荷变化、短路容量对系统电能质量、电压波动和p c c 点功 率因素的冲击情况。并对系统单端供电进行了分析，评估其对公共电网影响； 5 利用c d e g s 软件建立地铁杂散电流等效电路、钢轨、排流网和埋地输电电缆 模型，系统研究了该线钢轨电位分布特性、杂散电流分布规律。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：驯1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 11 研究背景及意义 第1 章绪论 111 地铁的发展 自1 8 6 3 年英国伦敦市第一条地铁建成运营至今，世界上已有1 3 0 多个城市建成了 城市轨道交通。城市轨道交通服务于城市客运交通，具有运能大、速度快、成本低、 节约能源以及能缓解地面交通拥挤和有利于环境保护等优点【j 埘。 地铁作为目前世界上人们出行最为便捷经济和高效的一种交通工具，能够有效解 决太中型城市交通拥堵问题。同样作为现代城市最大的基础设施之一和交通系统的骨 干，也是城市现代化程度的重要指标，对促进城市繁荣、实现城市经济和可持续发展 起到举足轻重的作用。它在交通上的独特优势使其成为各地政府投资的熟门，发展迅 速。目前全世界开通了3 0 0 多条地铁线路，总长度超过6 0 0 0 公里。我国自1 9 6 5 年7 月1 日在北京动工修建地铁以来的4 0 多年中，相继又在天津、香港、上海、深圳、南 京和广州等六座城市开通了地铁。正式拉开了我国城市地铁建设序幕。 图1 - 1 规划建设中的西安地铁国卜2 规划建设中的成都地铁 其他大型城市都将地铁、轻轨交通列入城市建设规划。除南京、青岛、沈阳、成 都、重庆五城市由国务院和国家计委批准并原则同意兴建地铁和轻轨道路外，大连、 长春、哈尔滨、鞍山、武汉、杭州、乌鲁木齐、台肥、兰州、佛山、桂林、昆明、西 安、济南、福州、宁波等城市也都完成了市区地铁轨道交通的网络规划、客流预测、 可行性报告、总体方案，有的还进行了初步设计。我国所有太城市和部分中等城市正 在审定城市整体规划，己修建和正在准备开工的有2 0 条，近期规划修建5 0 条，接每 条1 5 k m 计算，约7 5 0 k m ，预计2 0 1 0 年将建成快速轨道交通4 5 0 k i n 。另外，还有一 些大、中城市，虽然尚未公布其轨道交通的建设规划，但大量的前期工作都已在开展， 这说明我国城市轨道交通的建设总规模和建设进度都会超过现在的市场与社会需求， 城市交通正面临一场大变革。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 由此可见，中国的轨道交通发展前景是宏大的，有着广阔的市场，该行业的发展 壮大，将推动轨道交通的各种配套技术尤其是高新技术产业的跟踪发展，进而形成城 市轨道交通行业的产业化生产体系。 1 1 2 地铁牵引供电技术 地铁供电系统负责提供车辆及供电设备的动力能源，一般包括两大部分，一部分 为高压供电系统( 外部电源) ，即城市电网，一部分为地铁内部供电系统，如图1 3 所示。 地铁作为城市电网的一个用户，一般都直接从城市电网取得电能，无需单独建设电厂， 城市电网对地铁进行供电，供电方式有集中供电、分散供电和混合供电等方式。地铁 内部供电系统由牵引供电系统和动力照明供电系统组成【3 。牵引供电系统中的牵引变电 所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流电。馈电线再将牵引变电所的 直流电送到接触网上，电动车辆通过其受流器与接触网接触而获得电能。动力照明供 电系统提供车站和区间各类照明、扶梯、风机、水泵等动力机械设备电源和通信、信 号、自动化等设备电源，它由降压变电所和动力照明配电线路组成。 图1 - 3 地铁牵引供电系统 当前世界各国的城市轨道系统和车辆存在多种供电制式和受流方式。早期的地铁、 轻轨系统均采用了直流1 0 0 0 v 以下供电方式，如d c 6 0 0 v 、d v 7 5 0 v 等。随着技术进 步，2 0 世纪7 0 年代后期设计的地铁系统更多地采用了d c l 5 0 0 v 的供电方式。 虽然目前世界上城市轨道中的直流牵引供电等级较多，其发展趋向是i e c 标准中 的6 0 0 v 、7 5 0 v 和1 5 0 0 v 4 1 。近年来各个国家和地区修建的地铁均采用了i e c 标准：第 三轨方式采用d c 7 5 0 v ，架空接触网方式采用d c l 5 0 0 v 电压。中国国家标准地铁直 流供电系统规定为7 5 0 v 和1 5 0 0 v 两种，其电压允许波动范围对应为5 0 0 v - 9 0 0 v 和 1 0 0 0 v - 1 8 0 0 v 。这两种直流供电电压制式( 7 5 0 v 和1 5 0 0 v ) 都能满足地铁的要求，但是从 减少地铁牵引供电系统的电能损失和电压降、加大供电距离以降低牵引变电站数目及 投资、降低受流接触网的悬挂重量和降低结构复杂、以及从提高列车再生制动的回收 率而言，采用d c l 5 0 0 v 的牵引供电电压制式比采用7 5 0 v 的牵引供电电压制式要经济 得多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地铁牵引系统谐波治理 电力系统中的波形畸变主要来源于两大因素：其一是r 、l 、c 元件的非线性；其 二是大量使用的电力电子装置 5 - 7 1 。地铁供电系统中的波形畸变则主要来源于车辆牵引 供电的整流、逆变装置，其次是直流电源成套装置及其他电子装置。谐波的危害主要 表现在：消耗系统中的无功储备；增加线路损耗；影响继电保护、自动控制装置的可靠 运行；使侧量仪表的测量误差增加；电机产生额外的热损耗；用电设备的运行安全性 下降，以及对通信、信号的电磁干扰等一1 1 | 。 在早期的降压整流中，一般采用三相六脉波进行整流，但是，这种整流方式产生 的谐波含量大，尤其5 、7 、1 1 、1 3 、2 3 、2 5 等次谐波对电力系统的影响非常明显，为 了解决低次谐波含量过大，发展了六相十二脉波、十二相二十四脉波等整流方式。杭 州地铁采用十二相二十四脉波整流，但交流侧的5 次、7 次、1 1 次谐波依然很大，正 常运行方式下5 次电流达到3 ，检修方式下达到6 5 t 1 2 1 3 。现在2 4 脉波整流装置已 能满足目前城市轨道交通的要求，但2 4 脉波整流依然存在很多问题，在远期客流量很 大的时候谐波依然较为严重，需要加装滤波装置。上海地铁根据统计数据以及轨道交 通谐波的实测5 次和7 次谐波电流占基波电流的百分比分别为2 6 、1 6 。使用新型 的整流技术，使地铁的电流谐波大幅度地降低，但是，地铁的电流谐波问题依然是一 个很复杂的问题【l4 1 ，这主要是，地铁的近期负荷与远期负荷有差异，轻负荷与重负荷 下的谐波也相差很大，谐波依然有使公共电网电能质量劣化的可能。另外谐波电流的 注入，引起电机附加损耗和发热，产生附加损耗，其中较严重的后果便是引起谐振， 谐振过电压时间长、能量大，可使电网中性点位移，电压互感器熔断器熔断或电压互 感器过热爆炸、阻容吸收器损坏，影响电网的安全经济运行 1 4 - 1 9 】。文献【2 0 】提出了一种 新型2 4 脉波整流器的应用，它采用注入电路回馈部分能量，从而改善了网侧电流的波 形。 无源滤波器由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定参数配置一定的拓扑结构 连接而成的滤波装置。l c 滤波器是出现最早，虽然存在一些较难克服的缺点口，但因 其结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应 用最多的滤波方法【2 1 | ，广州地铁就是采用无源滤波器进行谐波治理。 有源电力滤波器的发展最早出现在b m i u r d 和j f m a r s h 的论文中【z 2 l ，文中描述 了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电 流波形的新方法。1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中，首次完整的描述了有 源电力滤波器的基本原理 2 3 1 。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l o y u g y i 和e c s t r y c u l a 提 出了采用脉冲宽度调带l j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制的有源电力滤波器确定了 主电路基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电 流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础【2 4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 总之，高次谐波电流通过变压器，可使变压器的铁芯损耗明显增加，从而变压器 出现过热，效率降低，缩短变压器的寿命。高次谐波对电网的影响也是如此，电缆内 耗加大，电缆发热，缩短电缆的使用寿命；对电动机影响更大，不仅损耗增加，还会 使电动机转子振动；而高次谐波对电容的影响更为突出，含有高次谐波的电压加至电 容两端时，由于电容器对高次谐波的阻抗很小，所以电容器很容易发生过负荷导致损 坏。高次谐波的干扰，往往还会导致供电空气开关误动作，造成电网停电，严重影响 用电设备的正常工作。同时，高次谐波对通讯设备也产生干扰信号【2 引。 1 2 2 容性电流 容性电流的含义主要包括正常情况下线路中的电容电流以及单相接地故障时产生 的单相接地电流( 由于其主要成分是容性无功分量，所以又称单相接地电容电流) 。前 者线路电容电流的增大会使得空载线路末端电压升高，容易引起操作过程中的谐振过 电压。后者单相接地故障电容电流增加，接地电弧不易熄灭，会引起故障扩大。 近年来配电网规模的扩大及电网中电缆线路的增加，使配电网对地电容电流大幅 度增加，中性点不接地方式己不能满足系统要求，在许多地区都采用了谐振接地方式 2 6 - 3 q 。文献【3 2 介绍了高短路阻抗变压器式可控消弧线圈的基本结构和性能特点，在此 基础上提出了电容电流反馈补偿的新方法。在配电网发生单相接地故障时，反馈补偿 系统通过监测各条线路零序电流的变化，判断消弧线圈是否处于合适的补偿位置，通 过反馈调节消弧线圈输出电流，避免了接地残流受系统运行方式变化的影响，保障了 配电网的安全运行。 通过消弧线圈的补偿作用可极大减小故障点电流，有效抑制系统电容电流过大对 设备和线路的危害 3 3 3 4 】。但是为了能准确补偿系统故障接地时的电容电流，需消弧线 圈能自动、及时、准确地测量系统的电容电流值。文献 3 5 】为解决非整周期采样时改进 的容性电流补偿法存在频谱泄漏和栅栏效应而影响算得的阻性电流准确性的问题，提 出了基于加b l a c k m a n h a r r i s 窗插值的改进容性电流补偿法，有效减轻了非整周期采样 给阻性电流测量。 关于容性电流的测量，文献 3 6 】提出了一种从电压互感器二次侧注入变频电流信号 测量电容电流的方法；文献【y 7 】提出了配电网电容电流谐振测量方法。地铁系统内部大 量采用电缆输电，电缆阻抗特性呈容性，电缆线路会导致容性电流的产生，故电缆的 存在易于系统产生谐振过电压，危害地铁系统和电网的运行。 1 2 3 地铁牵引系统无功补偿 众所周知，无功功率在供电网络的传输中不仅要产生有功功率损耗，而且还会产 生电压损失，影响电能质量，为了提高网络传输能力，降低网损，无功电力宜采用就 地平衡的原则，即根据用电负荷的实际需要，采取分散、集中无功补偿。从而保证电 源侧电费计量处的平均功率因数在一个合理的范围内，避免欠补或过补情况的发生p 8 1 。 目前配电网普遍采用的无功补偿方式有三种：分别为集中补偿、分散补偿和就地 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 补偿【3 9 , 4 0 】。我国大部分已运营的城市轨道交通中在投运初期曾出现过如下情况：降压 变电所4 0 0v 母线系统设置了集中电容补偿装置，实际上都没有投入使用；有部分城 市即使没有投入使用，但在主变电所电源侧电费计量处的功率因数也出现过补现象， 产生无功倒送，结果招致供电部门的大额罚款。为此，城轨主管部门又在主变电所增 设滞后无功补偿装置，从而造成多次重复补偿、投资浪费的状况【4 1 舢】。 针对地铁牵引供电系统无功补偿过补偿问题，文献【4 5 建立了集中、分散2 种供电 方式下的供电网络模型，基于节点电压法，给出用于轨道交通供电系统功率因数分析 的简化算法，并分析2 种供电方式下不同负载率、不同0 4k v 母线功率因数对整个供 电系统功率因数的影响。文献 4 6 】分析了整流机组的功率因数对整个系统功率因数的影 响，研究了利用s v g 提高整个供电系统功率因数的方法。文献【4 7 】基于北京地铁八通线 的基础资料，分析了中压网络和牵引机组对功率因数的影响网络、牵引机组对功率因 数的影响。 地铁开通初期由于牵引负荷不大，主变电所功率因数都较高，可能产生无功倒送 而被供电部门罚款。在城轨投运初期不进行低压侧动力照明负荷的集中无功补偿。仅 在车站变电所预留电力电容器无功补偿装置的安装位置，以备远期负荷增长及供电系 统运行状况和供电部门电费政策变化，因此城轨系统设计时，应对每种用电设备的功 率因数进行充分的调查、分析和研究。 1 2 4 地铁杂散电流 自直流电力牵引的地铁诞生以来，杂散电流腐蚀及防护在各个国家受到较高度的 重视，中国、美国、德国、日本和苏联在此课题上都投入了巨大的财力和人力，取得 了丰硕的成果，而且到目前为止，还在不断地研究新的防护方法和防护手段【4 孙5 2 】。1 9 7 9 年北京地铁科研所进行了大规模的测量调查，测量结果表明北京地铁确实存在着杂散 电流，而且杂散电流对埋地金属管线以及区间隧道主体结构中钢筋的腐蚀情况也得到 了证实，从而引起了各方面的关注。北京地铁公司当时以科研所为主，研究分析了国 外地铁防治杂散电流的理论和实践经验，结合北京地铁现有的实际情况制定了一套整 治措施。1 9 9 4 年北京市地下铁道设计研究所对地铁暗挖法施工的复一西区段进行了杂 散电流腐蚀防护对策的研究。国内的一些学者陆续从事了相关的研究工作，1 9 9 0 年马 洪儒等就北京地铁受杂散电流腐蚀情况做了基础的研究，提出了相关的防腐措施【5 3 。 1 9 9 4 年胡斌等对上海地铁受杂散电流腐蚀情况进行了研究，提出相关的防护措施【5 4 1 。 此后，国内各大地铁公司及科研单位也都从事了相关的研究工作 5 5 5 6 。 1 9 8 7 年美国学者m a s u d a y 对混凝土中钢筋的电流腐蚀做了基础性的研究，并且 分析了钢筋混凝土受腐蚀后的耐久性变化p7 | ，1 9 8 8 年美国的s c h i e s s l p 建立了混凝土 中钢筋腐蚀的开裂模型，对混凝土强度的变化做出了分析【5 引，目前国际上通常采用的 地铁杂散电流防护标准是v d e 0 1 巧国际标准和德国v d v 5 0 1 2 标准，适用于采用直流 电力牵引和走行轨回流方式的地铁系统设计、施工、运行维护等各个环节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 本文的研究内容 本文围绕地铁对牵引供电系统对公共电网的影响展开研究，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了2 4 脉波整流器和地铁电力机车仿真模型；以西安地铁二号线为算例，定 量分析了地铁牵引供电系统对公共电网的谐波影响；并对地铁牵引系统中的无功补偿、 容性电流和电压波动进行了系统的分析研究；最后研究了地铁杂散电流模型和分布特 性。本论文共分为五章，主要研究内容如下： 第1 章在我国城市轨道交通快速发展背景下，阐述了本文的研究意义，并综述了谐波 治理、容性电流抑制、无功补偿和杂散电流的国内外研究现状； 第2 章在m a t l a b s i m u l i n k 环境下构建了2 4 脉波整流器和地铁电力机车仿真分析模型。 分析了系统中直流侧、变压器绕组以及交流侧的谐波。通过运行结果表明，仿 真系统能够很好反映整流器和机车的实际工作情况； 第3 章以即将投运的西安地铁二号线为分析算例，联合电网和地铁牵引供电系统定量 分析白天高峰期负荷运行和夜间低谷期谐波注入情况，并评估了不同负荷期谐 波危害，提出了具体的谐波治理方案； 第4 章计算了工频和单相故障条件下电缆的容性电流，研究了电缆容性电流与谐振的 关系，计算了线路末端并联电抗器的大小。利用仿真模型，分析了负荷变化、 短路容量对系统电能质量、电压波动和p c c 点功率因素的冲击情况； 第5 章利用c d e g s 软件以西安地铁设计参数，建立地铁杂散电流等效电路，系统研究 了该线钢轨电位分布情况、杂散电流分布规律和埋地电缆屏蔽层的电位分布等， 提出地铁杂散电流的防护措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章2 4 脉波整流器和地铁机车性能分析 2 1 地铁牵引变电所整流器 2 1 1 整流器基本知识 地铁、轻轨交通和工矿运输直流牵引变电所的主结线，包括高压交流( 1 0 k v 3 5 k v 受配电系统和直流( o 7 5 k v 1 5 k v ) 受馈电系统两部分，整流机组则是作为交、直流系统 变换的重要环节设置的。牵引变电所的主要功能是将交流进线电压通过整流变压器降 压，然后经整流将交流电变成直流电供电动车辆的牵引电动机用。为了提高直流电的 供电质量，降低直流电源的脉动量，通常采用多脉波整流的方法，它可以是六脉波、 十二脉波整流，还可以增加到二十四脉波整流。为此，整流变压器不仅仅起降压作用， 还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流，整流变压器与整流器合称为整流机 组。设计选择整流装置时，既要考虑直流供电质量，还要顾及整流变压器的利用率。 从这一点来说，直流牵引供电制式比交流牵引供电制式有利，因为交流牵引供电制式 是在机车上将高压交流电进行降压整流的，即整流装置完全装在机车上，而车上的空 间是有限的，它不可能安装太复杂庞大的设备，只能进行单相整流供电。相反地，直 流牵引变电所却可以在地面安装比较完善的整流装置。整流机组从提高变压器利用 率、减少注入电网谐波含量两方面考虑，经济而有效的方法是在三相桥式整流电路的 基础上增加整流相数。为此，用三相桥式整流电路构成十二相脉动整流或等效二十四 相整流的接线方式，目前获得了广泛应用。 整流电路中有这样一个规律：一个脉动数( 脉冲数) 为p 的整流器，在它的直流侧将 主要产生，z = 如次的谐波，而在它的交流侧将主要产生咒= 助士1 ( k = l ，2 ，3 ) 次谐波。这 样一来不仅电路中存在大量谐波，整个电路的功率因数也会随之下降。为了减小整流 电路的谐波含量，提高功率因数，可以采用多相整流电路。 2 1 22 4 脉波整流器 整流机组是地铁牵引供电系统的关键设备之一。2 4 脉波整流机组是由两台1 2 脉波 的整流变压器和与之匹配的整流器共同组成，理论上只要满足1 2 相2 4 脉波整流系统的 要求，组成2 4 脉波的2 台变压器的联结组可以有很多种，如d y 5 d d 0 d y 7 d d 2 、 d y l l d 0 d y l d 2 等。为了减少牵引整流变电站网侧谐波电流对城市电网的影响，我国 城市轨道交通的牵引整流变电站正由原来的1 2 脉波向2 4 脉波发展。等效2 4 脉波整流 系统在抑制谐波方面可取得良好的效果，对电网造成的电流谐波含量比1 2 脉波整流下 降大约5 0 。2 4 脉波牵引整流变电站的主电路原理如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 1 二十四脉波整流机组 当供给两个1 2 脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用士7 5 0 外延 三角形连接时，两套整流器并联运行即可构成等效2 4 脉波整流。为了实现两台整流变 压器在网侧实现士7 5 0 的移相，在整流变压器原边采用延边三角形接法，其相量关系图 如图2 2 和图2 3 所示。 图2 3 网侧移相7 5 。、联结组标号d d 0 - y n 的变压器接线原理图与相量图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在理想情况下，对于2 4 脉波整流方式，网侧电流中只含有2 3 次、2 5 次等2 4 n 1 次特征谐波。 图2 - 42 4 脉波相电流波形 2 4 脉波的周期为甜= n 6 ，电流方均根值为： 电流平均值l 为： i d n = = 、l + 6 s i n 吾2 i d , s i n2 、 ( 2 1 ) 厶= 1 万2j f 鼍云, r 咖c o s 删耐= 警s i n 三2 4 乙 ( 2 - 2 ) 冗。五 冗 将i d 的傅氏级数为： 岛= i 2 4s i n 互z 4 1 如( 1 1 i c 。s k c o t ) ，z = 2 4 后，七= 1 ，2 ，3 ( 2 - 3 ) 等式右侧首项为直流分量，其等于直流电流平均值l ，余项为交流分量，是由 n = 2 4 k ( k = l ，2 ，3 ) 次谐波电流之和组成。由此可以求出2 4 脉波直流电源中的总谐波 电流方均相信等千盲流电滴平均信的02 6 2 2 整流器sim hi in k 建模仿真 2 2 1 仿真参数和模型 本节以电阻负载代替机车负载，揭示地铁供电系统中2 4 脉波整流机组特性，并且 分析1 1 0 k v 侧、3 5 k v 侧和直流侧电流谐波特性。仿真时公共电网1 1 0 k v 系统容量在 计算中取6 0 0 m v a ，阻抗比为0 1 2 0 4 1 ；降压变压器的主接线为单y d l l 接线。牵引变 电所采用2 4 脉波整流机组，交换电抗取0 1 m h ，机车额定功率为6 0 0 k v a ，直流侧的 等效阻抗为2 2 5q 。 至童茎望盔兰至主墼塞兰兰堡丝塞星! ! 里 表2 1 整流变压器技术参数 222 谐波特眭分析 图2 - 5 地铁供电系统模型( 电阻负载) f 1 ) l l o k v 侧电压电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 图2 - 6 ”o k v 侧电压电流以及功率因数 图2 - 71 1 0 k v 侧a 相电流谐波频谱分析 表2 21 1 0 k v 侧a 相电流各次谐波分量 从上面的仿真结果可以看出1 l o k v 侧的特征谐波电流为2 4 n ：1 次。 ( 2 ) 3 5 k v 侧电压电流 h ，。： ； j i 墨奠黛 心磐：j i 搬”时 _ w 餐鋈霎i 车：gj 羔= 棼亨芝：革：辩! # 簿圳 士二二盆二二z 二兰二王芝笠二芏生二臣 ； 图2 - 83 5 k v 侧电压电流以及功率因数图2 - 93 5 k v 侧a 相电流谐波频谱分析 表2 33 s k y 侧a 相电流各次谐波分量 从上面的仿真结果可以看出，3 5 k v 侧的特征谐波电流为2 4 n _ 【- 1 次 雾 ，。i j|a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 3 ) 直流侧电压电流 ：im “m 她哮槲；脚* _ h ，；* n h h舛j 州柏叫蜘州蜘垆峨群琳 挣烨州啪 ；j i 一 * - 啦口嘲_ 锄m 叫j d 蚰附嘲n 删啪h h 呲“m 嘲 图2 1 0 直流侧电压电流波形 图2 - 1 1 直流侧电压谐波分析 从上面的仿真结果可以看出，直流侧电压的特征谐波为2 4 n 。多脉波变流技术大功 率电力电子装置常将6 脉波的变流器设计成1 2 脉波或2 4 脉波变流器，从而减少交流 侧的谐波电流含量。脉波越多，谐波含量就越少。在三相电源中，每相一个周期为3 6 0 0 ， 在一个周期中，整流后要获得1 2 个脉波数，则必须每隔3 0 0 就得有一个整流元件导通。 为了减少整流机组产生的谐波含量，用2 4 脉波整流机组代替1 2 脉波整流机组， 谐波电流总含量能降低3 0 以上，其中1 1 次，1 3 次谐波电流含量能约降低8 0 ，大 大减少了电网中的高次谐波的含量，降低了对电网的影响。随着地铁的飞速发展，适 用于城市地铁及轨道交通的干式变压器得以大量应用，电压等级通常有10 、3 5k v 。国 内许多变压器厂商已成功开发出2 4 脉波干式整流变压器，并达到目前世界轨道交通装 备的最新水平，容量有8 0 0 ，2 0 0 0 ，2 5 0 0 ，3 3 0 0 ，4 4 0 0k v a ( 用于深圳等地铁) 。国内地 铁及轻轨工程，如北京、上海、广州、深圳、南京、武汉等城市均选用了国产牵引2 4 脉整流变压器，目前运行性能良好。轨道交通牵引系统中的整流设备与工业领域中的 整流技术大同小异，没有太大的技术难点，关键是整流二极管的制造。国内整流设备 生产厂已广泛引进具备国际先进水平的可控硅生产线，硅二极管的制作水平大幅度提 高。国产2 4 脉整流机组已经在上海明珠线、北京地铁、广州地铁等投入使用，运行稳 ，- x l z _ o 目前国内地铁2 4 脉波整流机组的变压器，采用了四绕组轴向双分裂式结构，在结 构上无平衡电抗器存在，也不需要外接平衡电抗器，降低了建设投资。在地铁中挂网 试运行以及变压器的联调测试证明了其优越性。2 4 脉波整流机组总的费用虽然会较1 2 脉波整流机组有所增加，但与其所获得的性能提升相比是微不足道的。因此，为满足 地铁设各国产化的需要，选择2 4 脉波整流机组是符合我国当前地铁发展需要的。 2 2 3 整流变压器绕组电流 ( 1 ) 绕组电流特性 西南交通大学硕士研究